Оптимизация сетей с многопротокольной коммутацией по меткам

ББК 32.88
Б90

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор Л. Г. Доросинский;
доктор техн. наук, профессор Б. А. Панченко

Будылдина Н. В., Трибунский Д. С., Шувалов В. П.

Б90
Оптимизация сетей с многопротокольной коммутацией по меткам. — М.: Горячая линия–Телеком, 2010. — 144 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0124-7.

В монографии рассмотрены основные вопросы многопротокольной коммутации по меткам, преимущества, проблемы распределения трафика и безопаcности в сетях MPLS, переход от MPLS к GMPLS, особенности GMPLS.
Особое место в монографии уделено методам оптимизации трафика в сетях
IP/MPLS с дифференцированным обслуживанием и методам распределения
многопродуктовых потоков, а также локализации сбоев, резервированию и
восстановлению для обеспечения живучести в сетях GMPLS. Представлен алгоритм оптимизации сетей на основе множителей Лагранжа и модель для
определения показателей надежности в сетях GMPLS с защитной коммутацией (1+1) в условиях недостоверного комбинированного контроля.
Для научных работников, инженеров и разработчиков аппаратуры связи,
студентов старших курсов радиотехнических факультетов вузов, аспирантов.
ББК 32.88

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU
Научное издание
Будылдина Надежда Вениаминовна
Трибунский Дмитрий Сергеевич
Шувалов Вячеслав Петрович
Оптимизация сетей с многопротокольной коммутацией
по меткам
Монография

Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Обложка художника В. Г. Ситникова

Подписано в печать 05.11.2009. Печать офсетная. Формат 60×88/16.
Уч. изд. л. 9,5. Тираж 1000 экз.

ISBN 978-5-9912-0124-7
c⃝ Н. В. Будылдина, Д. С. Трибунский,
В. П. Шувалов, 2010
c⃝ Оформление издательства
«Горячая линия—Телеком», 2010

Введение

Технология многопротокольной коммутации по меткам (MultiProtocol Label Switching, MPLS) является ведущей технологией, способной
стать фундаментом для инфраструктуры мультисервисных сетей следующего поколения (NGN), в рамках которых станет возможна передача
любого трафика через единую телекоммуникационную инфраструктуру.
MPLS сочетает в себе гибкость дейтаграммного IP и виртуальных каналов MPLS с поддержкой трафик-инжиниринга, что открывает принципиально новые возможности для использования протокола IP в современных сетях, которые ранее были технически не осуществимы.
Особенностями MPLS-TE являются:
• высокая масштабируемость;
• поддержка QoS;
• универсальность по отношению к протоколам сетевого уровня;
• значительное упрощение процедур маршрутизации;
• универсальность по отношению к транспортным технологиям (ATM,
Ethernet, POS и т.п.).
Применение технологии MPLS позволяет перейти на новый уровень обслуживания и организовать предоставление услуг более высокого
качества. Особенно перспективным является использование этой технологии для создания виртуальных частных сетей (VPN) и перехода к
мультисервисным сетям на основе IP.
Основным подходом в маршрутизации в сетях с коммутацией пакетов вот уже долгое время является выбор маршрута на основе топологии
сети без учета информации о текущей загрузке. Для каждой пары «адрес источника — адрес назначения» такие протоколы выбирают единственный маршрут, не принимая во внимание информационные потоки,
протекающие через сеть. В результате все потоки между парами конечных узлов идут по кратчайшему маршруту (в соответствии с некоторой
метрикой). Выбранный маршрут может быть более рациональным, если,
например, в расчет принимается номинальная пропускная способность
канала связи или вносимые ими задержки, либо менее рациональным,
если учитывается только количество промежуточных маршрутизаторов
между исходным и конечным узлами.
Такой подход приводит к тому, что даже если кратчайший путь перегружен, пакеты все равно посылаются по этому пути. Налицо явная
ущербность методов распределения ресурсов сети — одни ресурсы работают с перегрузкой, а другие не используют вовсе.
Традиционные
методы борьбы с перегрузками эту проблему решить не могут, нужны
качественно иные механизмы.

Введение

С этой целью на сетях связи осуществляется внедрение новых сетевых технологий, например MPLS, которая обеспечивает гарантированную
среднюю пропускную способность в соответствии с принципами инжиниринга трафика. Наряду с этим, необходимо предусмотреть, чтобы сети были спроектированы с учетом необходимых методов оптимизации,
которые позволят провайдерам максимально эффективно использовать
имеющуюся инфраструктуру.
Поэтому для более эффективного использования сетевых ресурсов
важными являются задачи оптимизации выбора алгоритмов маршрутизации, чтобы обеспечить производительность сети и сбалансировать нагрузку в случае изменения трафика, без необходимости изменения
структуры сети и повышения емкости каналов.
Поставленная задача оптимизации обычно решается с учетом ограничений и относится к так называемым задачам NP-complit, т.e. задачам, решение которых требует больших временных затрат∗. Некоторые
пути уменьшения времени вычислений представлены в первых пяти главах. В частности, дана содержательная постановка задачи необходимости построения сетей с использованием технологии MPLS, ее преимущества и дано сравнение с другими технологиями. Рассмотрены вопросы
управления трафиком и проблемы оптимизации трафика, а также дан
обзор методов оптимизации трафика в сетях IP/MPLS.
Управление потоком передаваемой информации позволяет направлять потоки данных не по кратчайшему пути, вычисленному с помощью
традиционного протокола маршрутизации, а через менее загруженные
узлы и каналы связи. При правильном моделировании потока и правильном выборе методов оптимизации процессов нагрузка на все физические каналы связи, маршрутизаторы и коммутаторы должна быть
сбалансирована таким образом, чтобы ни один из этих компонентов не
был недогружен или перегружен. В результате сеть будет работать более
эффективно, стабильно и предсказуемо.
В первой главе рассматриваются особенности построения сети с
MPLS, отмечены ее достоинства и недостатки, во второй главе обсуждаются способы управления трафиком в сетях MPLS и представлены
пути совершенствования технологии MPLS, формирование трафика и
обеспечение качества услуг. В третьей главе представлен обзор методов
оптимизации трафика в IP/MPLS-сетях.
В четвертой главе рассмотрены методы распределения многопродуктовых потоков и существующие подходы к решению задачи определения оптимального дизайна путей с коммутацией по меткам (Label

∗ Точнее, к недетерминированным полиномиальным задачам (nondeterministic
polynomial time problem, NP). Это задачи, которые можно решить на машине Тьюринга за время, полиномиально зависящее от числа переменных. К таким задачам
относятся, например, поиск пути на графе или классическая задача о комивояжере. — Прим.
ред.

Введение
5

Switched Path, LSP), а также предложен эвристический алгоритм пропорционального распределения потоков, который позволяет получить квазиоптимальный дизайн LSP. Из существующих методов решения задачи
оптимизации рассмотрены метод минимального разреза и метод линейного программирования.
Точное решение задач оптимизации можно получить с помощью
линейного программирования, однако сложность вычислений при линейном программировании быстро возрастает с увеличением числа узлов в
сети и для больших сетей является критической, что приводит к необходимости использования эвристических методов.
В пятой главе рассматриваются вопросы выбора оптимальных путей LSP с дифференциальным обслуживанием трафика при наличии
нескольких ограничений.
Решение поставленной задачи предлагается
осуществить путем использования метода неопределенных множителей
Лагранжа. Задача разбита на две части. В первой решается вопрос,
связанный с необходимостью перенаправления потоков при выходе из
строя ранее выбранного пути. Это приводит к увеличению нагрузки на
«резервные» пути и, следовательно, к необходимости увеличения пропускной способности «резервных» путей на величину определенную так
называемым коэффициентом отказоустойчивости.
Во второй части с
учетом результатов, полученных в первой, решается задача выбора квазиоптимальных путей.
Во последних двух главах рассмотрены вопросы обеспечения высоких показателей готовности. Известно, что коэффициент готовности зависит от времени наработки на отказ и времени восстановления. В свою
очередь время восстановления зависит от момента обнаружения отказа,
его локализации и времени, за который произойдет устранение отказа.
В главе 6 рассмотрены как общие подходы к локализации отказов,
так и частные, среди которых метод наложенных сетей и метод локализации отказов путем использования тест-станций. В качестве примера
реальной системы мониторинга рассмотрена система Nagios.
Глава 7 содержит материал, посвященный общим вопросам резервирования и восстановления. Рассмотрены методы защиты звена, пути,
сегмента. Приведены рекомендации по использованию методов защиты.
В качестве одной из мер по обеспечению QoS представлен метод на основе использования приоритетов. Большой раздел посвящен защите и
восстановлению в сетях GMPLS (раздел 7.5). Следует заметить, что вопросам защиты и восстановления, помимо упомянутых выше, посвящены
как монографии (например, [138]), так и множество статей в журналах
[139–152 и др.]. Авторы не ставили перед собой задачу дать полный
обзор литературы по данной тематике, а лишь пытались обратить внимание читателя на эту проблему.
Монография может быть использована при развертывании опытной
зоны или пуско-наладочных испытаний нового сегмента, что позволяет
выяснить все потенциально возможные «узкие места», минимальный

Введение

разрез в сети, которые могут возникнуть в сети через 1–2 года после начала эксплуатации. При эксплуатации, в случаях внедрения новых услуг,
изменения плана маршрутизации и т.п. любые изменения в структуре
трафика могут привести к негативным последствиям на сети. Используя
разные классы обслуживания и измеряя коэффициенты отказоустойчивости связи, можно посмотреть реакцию сети на изменение структуры
трафика или увеличения объема передаваемой информации в сети, а
также на возникновение неисправности трактов.
Полученные результаты, с одной стороны, представляют научный
интерес, с другой стороны, могут быть использованы специалистами
при составлении проекта модернизации мультисервисной сети связи к
внедрению на сетях связи. Работа не претендует на детальный охват
всех вопросов оптимизации телекоммутационных сетей. Однако авторы
надеются, что методики, представленные в ней, будут полезны широкому
кругу читателей.
При подготовке рукописи использован ряд первоисточников. В основном это англоязычные статьи и материалы IEEE. В поиске работ по
тематике представленного в монографии материала и переводе ряда статей принимали участие магистранты и аспиранты СибГУТИ О. Артемьева, А. Бахарев, А. Бритова, которым авторы выражают искреннюю
благодарность.

Многопротокольная коммутация
по меткам

1.1. Определение основных целей и задач
исследования. Общие понятия
Цель использования многопротокольной коммутации по меткам
(MultiProtocol Label Switching, MPLS) состоит, прежде всего, в более эффективном использовании пропускной способности магистральных каналов связи, а также в построении современной сетевой инфраструктуры на основе использования оптических технологий для организации
высокоскоростной магистральной сети и единой системы сигнализации,
позволяющей объединять различные типы сред и систем передачи информации [12].
Данная технология позволяет ускорить продвижение
IP-пакетов и сохранить гибкость, характерную для IP-сетей, с помощью
механизмов управления трафиком и поддержания качества обслуживания, применяющихся в сетях АТМ [12]. Важно и то, что MPLS может
использоваться не только с АТМ, но и с любой другой технологией канального уровня. MPLS использует и развивает концепцию виртуальных
каналов, используемых в сетях Х.25, Frame Relay, объединяя ее с техникой выбора путей на основе информации о топологии и текущей загрузке
сети, получаемой с помощью протоколов маршрутизации сетей IP [12].
MPLS — это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS сочетает в себе
управление трафиком, характерное для технологий канального уровня,
масштабируемость и гибкость протоколов сетевого уровня. «Многопротокольность» в названии технологии означает, что MPLS — инкапсулирующий протокол и может транспортировать множество других протоколов, как показано на рис. 1.1 [12].
Физический уровень содержит функции, обеспечивающие использование физической среды для двусторонней передачи битов (с такой
достоверностью, какую обеспечивает эта среда) по прямому тракту, связывающему два узла сети. Второй уровень — уровень звена данных —
содержит функции, обеспечивающие формирование в этом тракте надежного логического звена связи, по которому происходит двусторонний
обмен информационными блоками между узлами. На данном уровне обнаруживаются и исправляются ошибки и гарантируется достоверность
передачи. Третий (сетевой) уровень содержит функции, обеспечивающие транспортировку информационных блоков от отправителя к получателю через несколько узлов сети по подходящему маршруту транспортировки, который составляется из звеньев второго уровня.

Г л а в а 1

Рис. 1.1. Технология MPLS в IP-сетях и модель OSI/ISO

Представленная модель на рис. 1.1 показывает, что протокол MPLS
не образует полноценного уровня, а «вклинивается» в сетях IP, ATM или
Frame Relay между 2-м и 3-м уровнями модели OSI, оставаясь независимым от этих уровней. Можно сказать, что одновременное функционирование MPLS на сетевом уровне и на уровне звена данных приводит
к образованию так называемого уровня 2.5, где и выполняется коммутация по меткам [12].
Сети ряда Интернет-провайдеров построены сегодня на основе многоуровневой модели, подразумевающей, что логическая маршрутизируемая IP-сеть функционирует поверх коммутируемой топологии второго
уровня (АТМ либо Frame Relay) и независимо от нее. Коммутаторы второго уровня обеспечивают высокоскоростные соединения, в то время как
IP-маршрутизаторы на периферии сети, связанные друг с другом сетью
виртуальных каналов второго уровня, осуществляют интеллектуальную
пересылку IP-пакетов [12].
Таким образом, MPLS — это один из шагов на пути эволюционного развития Интернета в сторону упрощения его инфраструктуры в
результате интеграции функций второго (коммутация) и третьего (маршрутизация) уровней.
MPLS — универсальная технология. С ее помощью можно решать
следующие задачи:
• интеграцию ATM и Frame Relay с IP;
• ускоренное продвижение пакетов внутри сети оператора вдоль кратчайших традиционных маршрутов;
• создание виртуальных частных сетей (VPN);
• выбор и установление путей со сбалансированным распределением
загрузки ресурсов (Traffic Engineering, TE) [12].
Таким образом, исходя из вышеперечисленных задач, можно сделать вывод, что в сфере будущих телекоммуникаций MPLS уготована
роль ведущей технологии. Она рассматривается в качестве фундамента
для инфраструктуры сетей следующего поколения и предоставления но

Многопротокольная коммутация по меткам
9

вых услуг, которая позволит эффективнее передавать большие объемы
трафика в магистральных сетях. Обладая целым рядом преимуществ,
она дополняет IP-сети достоинствами унаследованных инфраструктур
Frame Relay, ATM и TDM, а также способствует внедрению IP как универсального транспорта для всех видов приложений [18]. В случае применения MPLS в качестве базового механизма коммутации можно упростить развитие операторских сетей IP, объединить разные технологии
доступа, повысить масштабируемость маршрутизации IP и сделать сети
IP столь же пригодными для передачи речи и видео, как сети ATM, где
обеспечение качества и резервирование ресурсов для передачи разнородного трафика заложены на протокольном уровне [18]. По сравнению
с IP основным преимуществом MPLS является коммутация по меткам и
разделение управляющей составляющей трафика с транспортной. Коммутация по меткам позволяет создавать сервисы, которые трудно или
невозможно реализовать на базе IP, и в общем случае она имеет более
низкую стоимость на единицу объема трафика по сравнению с ATM.
Кроме того, ATM обладает высокой избыточностью (соотношение полезной и служебной информации).
Поэтому MPLS рассматривается как эффективная и экономичная
основа для мультисервисного транспорта, а современные коммутирующие маршрутизаторы (Label Switching Router, LSR), применяемые в
MPLS-домене, способны одновременно (и с одинаковой производительностью) обрабатывать трафик ATM, IP и MPLS.
Таким образом, внедрение MPLS позволяет повысить уровень сервиса, предоставлять востребованные услуги на базе IP (с гарантированным уровнем качества) и услуги конвергентных сетей для корпоративных
клиентов, включая создание VPN и передачу речи поверх IP (VoIP). Инфраструктура MPLS VPN дает возможность соединять узлы по схеме
«любой с любым» независимо от технологии доступа (Frame Relay, выделенная линия, DSL или Ethernet), повышает производительность, масштабируемость IP и надежность маршрутизации в приложениях Triple
Play (речь, данные, видео). С MPLS хорошо сочетается Ethernet — благодаря такой комбинации открывается возможность экономичного предоставления целого комплекса услуг и внедрения широкополосных приложений в городских сетях и сетях доступа [16].
Для создания VPN применялись разные технологии, включая выделенные каналы, Frame Relay, ATM, L2TP, IPSec.
В сети MPLS для
этого создаются оптимизируемые в режиме реального времени защищенные логические маршруты. Поскольку привязка к выделенным маршрутам отсутствует, число узлов в IP VPN может легко наращиваться.
Управление трафиком средствами TE позволяет снизить издержки по
обслуживанию сети и предложить оптимальный уровень услуг с точки
зрения пропускной способности и задержки, а механизмы динамической
адаптации повышают отказоустойчивость опорной сети [18].
Таким образом, MPLS, ориентированная на установление соединения, обеспечивает структуру, необходимую для гарантирования качества

Г л а в а 1

IP-трафика. Хотя QoS и класс обслуживания (CoS) не являются фундаментальными свойствами MPLS, их можно применить к сетям MPLS,
где используется процесс формирования трафика. Это позволит провайдерам реализовать соглашения об уровне обслуживания (Service Level
Agreement, SLA) с потребителями, чтобы гарантировать аспекты качества, такие как пропускная способность, задержка и джиттер. Помимо
передачи основных данных могут предоставляться дополнительные услуги, увеличивая предполагаемые доходы и, в конечном счете, позволяя
перейти к конвергентным сетям.
Для более эффективного использования сетей IP/MPLS с учетом
роста мультисервисных услуг, которые требуют большой пропускной способности, а также обеспечения качества обслуживания трафика возникает необходимость в оптимизации управления потоков передаваемых
данных. С этой целью необходимо создание моделей и алгоритмов оптимизации, обеспечивающих распределение трафика с использованием
эвристики, которые позволяет быстро перенаправить трафик в случае
неисправности канала или его перегрузки с учетом дифференциального обслуживания, что является весьма важным, учитывая меняющийся
характер трафика сети.

1.2. Преимущества MPLS
Учитывая вышесказанное, необходимо выделить основные преимущества многопротокольной коммутации по меткам:
• интеграция сетевой инфраструктуры, объединение разнородных сетей IP, ATM и Frame Relay с сокращением операционных расходов;
• упрощение управления сетями за счет переноса сервисов SDH и
ATM на более высокий сетевой уровень [18];
• поддержка в единой конвергированной сети как новых, так и существующих услуг, создавая эффективный путь перехода к IP-инфраструктуре. MPLS функционирует как поверх существующей сети,
так и новой инфраструктуры (10/100/1000/10G Ethernet) и сетей
(IP, ATM, ретрансляции кадров, Ethernet и TDM) [21];
• предоставление в маршрутизируемой среде ориентированных на соединение сервисов с возможностью динамической перестройки
маршрутов и обхода отказавшего узла [18];
• поддержка предоставления услуг с гарантированным качеством обслуживания (QoS). Пакеты, которые должны доставляться с высоким
качеством, могут помечаться, позволяя провайдерам обеспечивать
малые значения задержки для речевых и видеосигналов в сквозном
соединении [21].
MPLS не определяет новую QoS архитектуру, а
базируется на использовании широко известной и зарекомендовавшей себя на практике IP QoS парадигмы. Для IP QoS определено
две модели: IntServ и DiffServ. IntServ определяет потоковый QoS
и использует RSVP для сигнализации. DiffServ использует маркировку пакетов на границе сети и дальнейшую обработку. Трафик